RT-DETR 详解之 Efficient Hybrid Encoder

在先前的博文中，博主介绍了RT-DETR在官方代码与YOLOv8集成程序中的训练与推理过程，接下来，博主将通过代码调试的方式来梳理RT-DETR的整个过程。

整体结构

RT-DETR的代码调试大家可以参考博主这篇文章：

在梳理整个代码之前，博主需要说明一下RT-DETR的主要创新点，方便我们在代码调试的过程中有的放矢。

博主首先使用官方代码进行讲解，在后面还会对YOLOv8集成的RT-DETR代码进行讲解，之所以这样安排很大程度上是因为官方代码相较而言更容易理解，而YOLOv8中集成的RT-DETR代码更加具有通用性与规范性，因为里面多是以配置文件的形式来编写的，在理解上或许不够直观。

那么，我们便开始RT-DETR的学习吧，首先需要了解其创新点：
从RT-DETR的结构上来看，其分为四个部分，分别是骨干特征提取网络（backbone）、Transformer编码器模块、Transformer解码器模块以及检测头，其中，RT-DETR的改进主要在Transformer编码器、Transformer解码器部分。
其创新点分别为：

创新点1：高效混合编码器（Efficient Hybrid Encoder）：RT-DETR使用了一种高效的混合编码器，通过解耦尺度内交互和跨尺度融合来处理多尺度特征。这种独特的基于视觉Transformer的设计降低了计算成本，并允许实时物体检测。
创新点2：IoU感知查询选择（Uncertainty-minimal Query Selection）：RT-DETR通过利用IoU感知的查询选择改进了目标查询初始化。这使得模型能够聚焦于场景中最相关的目标，从而提高了检测精度。
创新点3：自适应推理速度（Scaled RT-DETR）：RT-DETR支持通过使用不同的解码器层来灵活调整推理速度，而无需重新训练。这种适应性便于在各种实时目标检测场景中的实际应用。

在这里插入图片描述

在进行网络模型的调试前，我们先要找到train、val等代码，在RT-DETR中，数据集加载配置，模型加载都是通过配置文件进行的。

训练代码

首先是训练代码，tools下的train.py为启动文件，里面需要我们指定相应的配置文件：

parser.add_argument('--config', '-c', default="/rtdetr_pytorch\configs/rtdetr/rtdetr_r18vd_6x_coco.yml",type=str, )

该配置文件中还加载了数据集配置文件、优化器等

__include__: ['../dataset/coco_detection.yml','../runtime.yml','./include/dataloader.yml','./include/optimizer.yml','./include/rtdetr_r50vd.yml',
]output_dir: ./output/rtdetr_r18vd_6x_cocoPResNet:depth: 18freeze_at: -1freeze_norm: Falsepretrained: TrueHybridEncoder:in_channels: [128, 256, 512]hidden_dim: 256expansion: 0.5RTDETRTransformer:eval_idx: -1num_decoder_layers: 3num_denoising: 100optimizer:type: AdamWparams: - params: '^(?=.*backbone)(?=.*norm).*$'lr: 0.00001weight_decay: 0.- params: '^(?=.*backbone)(?!.*norm).*$'lr: 0.00001- params: '^(?=.*(?:encoder|decoder))(?=.*(?:norm|bias)).*$'weight_decay: 0.lr: 0.0001betas: [0.9, 0.999]weight_decay: 0.0001

随后，在train.py的main方法中开启训练：

在这里插入图片描述
随后在solver中的det_solver.py文件中，运行train_one_epoch方法，传入model，数据集等

在这里插入图片描述

训练集配置如下，里面包含batch_size=4，数据集地址等信息

DataLoader(dataset: Dataset CocoDetectionNumber of datapoints: 16270Root location: D:\graduate\datasets\detection\coco\images\train2017img_folder: D:\graduate\datasets\detection\coco\images\train2017ann_file: D:\graduate\datasets\detection\coco\annotations/instances_train2017.jsonreturn_masks: Falsetransforms:Compose(RandomPhotometricDistort(brightness=(0.875, 1.125), contrast=(0.5, 1.5), hue=(-0.05, 0.05), saturation=(0.5, 1.5), p=0.5)RandomZoomOut(p=0.5, fill=0, side_range=(1.0, 4.0))RandomIoUCrop(min_scale=0.3, max_scale=1, min_aspect_ratio=0.5, max_aspect_ratio=2, options=[0.0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0], trials=40, p=0.8)SanitizeBoundingBox(min_size=1, labels_getter=default)RandomHorizontalFlip(p=0.5)Resize(size=[640, 640], interpolation=InterpolationMode.BILINEAR, antialias=warn)ToImageTensor()ConvertDtype()SanitizeBoundingBox(min_size=1, labels_getter=default)ConvertBox(out_fmt=cxcywh, normalize=True))batch_size: 4num_workers: 4drop_last: Truecollate_fn: <function default_collate_fn at 0x00000293A9606C10>
)

随后我们让数据进入模型，det_engine.py文件中：

 outputs = model(samples, targets)

传入的数据样本（图像）与标签如下：

在这里插入图片描述

紧接着便进入了特征提取网络中，该部分即ResNet，这里就不再赘述了，其输出结果有三个，即对应ResNet第3、4、5层输出特征图。

在这里插入图片描述

接下来，便是进入Encoder模块了，我们将代码定位到Encoder，即detr_encoder.py文件，在这里，我们先来了解一下RT-DETR中各个文件的内容含义：

在这里插入图片描述

随后，进入Encoder模块，即Efficient Hybrid Encoder

Efficient Hybrid Encoder

原理讲解

首先便是第一个创新点的讲解了，其属于模块结构上的创新，用于解决Transformer计算复杂度高的问题。
事实上，第一点创新理解起来并不困难，我们只需要看一下DETR，Deformable-DETR以及RT-DETR的模型对比图即可一目了然。

在这里插入图片描述

是不是很清晰了，RT-DETR只使用ResNet最后一层特征图进行自注意力计算，同时Transformer编码器层只有一层，因此计算量就要下降很多，同时使用第3、4层特征图与Transformer编码器输出的扁平特征图进行特征融合，从而获取了多尺度特征。

那么，这个多尺度特征融合是怎么做的呢？其实就和YOLO中的Neck层差不多，通过上采样、下采样、卷积特征提取等操作进行特征融合。
如下图所示，大家可以先看一下这个图，对其有个大概的印象。

在这里插入图片描述

代码讲解

其首先进入rtdetr_encoder.py中的HybridEncoder，这里面包含两部分，一个是用于自注意力计算的Encoder，另一个便是提出的融合模块（这个融合模块并没有统一定义在一个类中，而是在运行过程中由多个类组装起来的，如ConvNormLayer、RepVggBlock等。

可以看到，输入到HybridEncoder中的即为feats变量，其为list形式，保存的便是ResNet网络输出的第3、4、5特征提取阶段输出的特征图，随后，通过input_proj进行维度转换，将其通道维度统一为256，大小不变。
input_proj的结构如下，其有三个模块，根据输入通道数可知分别对应三个特征图。

ModuleList((0): Sequential((0): Conv2d(128, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True))(1): Sequential((0): Conv2d(256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True))(2): Sequential((0): Conv2d(512, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(1): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True))
)

通过循环的方式对feats进行通道维度变换。

在这里插入图片描述

随后便把数据传入Encoder模块：

在这里插入图片描述

Encoder中的详细过程如下：首先是传入Encoder的参数，分别是src（ResNet第五个特征提取阶段输出的展平特征图），pos_embed位置编码。

在这里插入图片描述

接下来，执行的其实就是Transformer的编码器中的自注意力计算，拼接残差等一系列操作了，实现代码如下（hybrid_encoder.py）：

		residual = srcif self.normalize_before:src = self.norm1(src)q = k = self.with_pos_embed(src, pos_embed)src, _ = self.self_attn(q, k, value=src, attn_mask=src_mask)src = residual + self.dropout1(src)if not self.normalize_before:src = self.norm1(src)residual = srcif self.normalize_before:src = self.norm2(src)src = self.linear2(self.dropout(self.activation(self.linear1(src))))src = residual + self.dropout2(src)if not self.normalize_before:src = self.norm2(src)return src

我们对其中的关键步骤进行解析：

可以看到，这里它的实现其实就是标准的自注意力计算等一系列操作，其流程如下：

自注意力计算为：

self.self_attn = nn.MultiheadAttention(d_model, nhead, dropout, batch_first=True)

该部分代码是在torch中封装好的标准多头注意力，传入的参数为q，k，src（充当value)
其中，q，k是由src与pos_embed相加得到的。

def with_pos_embed(tensor, pos_embed):return tensor if pos_embed is None else tensor + pos_embed

随后便是残差、归一化、前馈神经网络等一系列操作了。在该过程中，数据的维度均未发生改变。

在这里插入图片描述
随后，便是作者所提出的创新点了，即CCFM模块，前面已经说过，这个模块没有像Encoder那样统一定义在一起，而是在HybridEncoder中即组即用，我们先来看看前一部分的实现：

for idx in range(len(self.in_channels) - 1, 0, -1):feat_high = inner_outs[0]feat_low = proj_feats[idx - 1]feat_high = self.lateral_convs[len(self.in_channels) - 1 - idx](feat_high)inner_outs[0] = feat_highupsample_feat = F.interpolate(feat_high, scale_factor=2., mode='nearest')inner_out = self.fpn_blocks[len(self.in_channels)-1-idx](torch.concat([upsample_feat, feat_low], dim=1))inner_outs.insert(0, inner_out)

我们以第一次循环为例，self.in_channel=[128, 256, 512]，即len为3，该循环是由后往前遍历的

首先是feat_high，其为第五层特征图，feat_low为第四层特征图，在图像特征提取中，我们称越深层网络提取的特征为高维特征，包含的语义信息更丰富，而低维特征细节特征更丰富。

在这里插入图片描述

随后将feat_high与feat_low输入lateral_convs模块中，该模块的构造与结构如下：

在这里插入图片描述

OrderedDict([('0', ConvNormLayer((conv): Conv2d(256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): SiLU(inplace=True)
)), ('1', ConvNormLayer((conv): Conv2d(256, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): SiLU(inplace=True)
))])

此时，len(self.in_channels) - 1 - idx=0，即调用ConvNormLayer的第一层。
随后进行上采样操作， F.interpolate是torch中提供的一个函数，其作用便是上采样，（插值）

upsample_feat = F.interpolate(feat_high, scale_factor=2., mode='nearest')

其参数为：

input(Tensor):输入张量
size(int or Tuple[int] or Tuple[int, int] or Tuple[int, int, int]) :输出大小
scale_factor (float or Tuple[float]) : 指定输出为输入的多少倍数。如果输入为tuple，其也要制定为tuple类型
mode (str) ： 可使用的上采样算法，有’nearest’, ‘linear’, ‘bilinear’, ‘bicubic’ , ‘trilinear’和’area’. 默认使用’nearest’

此时upsample_feat的维度为torch.Size([4, 256, 50, 50])，即原本的第五层特征图的大小已经与第四层相同了
接下来，将feat_low（第四层特征图）与upsample_feat拼接，输入 fpn_block。

inner_out = self.fpn_blocks[len(self.in_channels)-1-idx](torch.concat([upsample_feat, feat_low], dim=1))

fpn_block的构造过程与结构如下：

在这里插入图片描述

结构如下图所示（论文图像）

在这里插入图片描述

ModuleList((0-1): 2 x CSPRepLayer((conv1): ConvNormLayer((conv): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): SiLU(inplace=True))(conv2): ConvNormLayer((conv): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): SiLU(inplace=True))(bottlenecks): Sequential((0): RepVggBlock((conv1): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(conv2): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(act): SiLU(inplace=True))(1): RepVggBlock((conv1): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(conv2): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(act): SiLU(inplace=True))(2): RepVggBlock((conv1): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(conv2): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(act): SiLU(inplace=True)))(conv3): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): SiLU(inplace=True)))
)

随后，便进入第二次循环，此时的特征图即为第四层特征图与第三层特征图了，其余的过程均相同，只是维度不同而已，这里就不再赘述了。

在这里插入图片描述

经过这样一系列的操作，最终会将三个不同尺度的特征图组合起来，同时，还将三个特征图存入inner_outs中，供下一阶段使用。其操作为：

inner_outs.insert(0, inner_out)

在这里插入图片描述

随后便是下一阶段的操作了，首先获取第三层特征图，在inner_outs中索引为0。outs=torch.Size([4, 256, 100, 100])

		outs = [inner_outs[0]]for idx in range(len(self.in_channels) - 1):feat_low = outs[-1]feat_high = inner_outs[idx + 1]downsample_feat = self.downsample_convs[idx](feat_low)out = self.pan_blocks[idx](torch.concat([downsample_feat, feat_high], dim=1))outs.append(out)

接着，便获取outs与inner_outs中的值，feat_low 的维度为torch.Size([4, 256, 100, 100])，此时idx=0，则feat_high = inner_outs[1]，即其维度为torch.Size([4, 256, 50, 50])
此时，将feat_low通过下采样进行维度缩减，得到downsample，其维度为torch.Size([4, 256, 100, 100])

下采样模块的构造与结构如下，其是基于 ConvNormLayer层构建的

 self.downsample_convs.append(ConvNormLayer(hidden_dim, hidden_dim, 3, 2, act=act))

结构如下：

ModuleList((0-1): 2 x ConvNormLayer((conv): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(2, 2), padding=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): SiLU(inplace=True))
)

最后，便是将两个特征图拼接，然后输入pan_blocks模块，其构造方式如下：

可以看到，pan_blocks模块是基于 CSPRepLayer构建的。

self.pan_blocks.append(CSPRepLayer(hidden_dim * 2, hidden_dim, round(3 * depth_mult), act=act, expansion=expansion))

ModuleList((0-1): 2 x CSPRepLayer((conv1): ConvNormLayer((conv): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): SiLU(inplace=True))(conv2): ConvNormLayer((conv): Conv2d(512, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): SiLU(inplace=True))(bottlenecks): Sequential((0): RepVggBlock((conv1): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(conv2): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(act): SiLU(inplace=True))(1): RepVggBlock((conv1): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(conv2): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(act): SiLU(inplace=True))(2): RepVggBlock((conv1): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(conv2): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 128, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(128, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): Identity())(act): SiLU(inplace=True)))(conv3): ConvNormLayer((conv): Conv2d(128, 256, kernel_size=(1, 1), stride=(1, 1), bias=False)(norm): BatchNorm2d(256, eps=1e-05, momentum=0.1, affine=True, track_running_stats=True)(act): SiLU(inplace=True)))
)